CN112290201A - 一种新型结构的低频磁电复合机械天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型结构的低频磁电复合机械天线及其制作方法，属于低频通讯技术领域。本发明涉及的新型结构的低频磁电复合机械天线主体的结构单元包含具有压电功能的芯棒、具有压磁功能的芯壳模块以及将芯棒和芯壳紧固贴合的卡箍扣。其中，所述芯壳是由多个内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成，所述圆弧壳体的数量至少为两个，相邻两个圆弧壳体之间预留伸缩缝隙。本发明所述的新型结构的低频磁电复合机械天线相较于传统磁电复合机械天线的优势在于削弱了化学界面粘合造成的不同相之间应变传导可能存在的负面影响，应变传导及时、高效并且均匀。

Description

一种新型结构的低频磁电复合机械天线

技术领域

本发明属于低频通讯技术领域，具体涉及一种新型结构的低频磁电复合机械天线。

背景技术

低频电磁波超远距水(地)下通信的小型化是目前的研究热点。机械天线与传统电激励天线的不同之处在于，前者是将信息加载通过机械运动的形态转化成为电磁能来实现信息传递。这种信息传递的方式，不在受传统电激励天线的电流振荡空间尺寸的限制，不再需要阻抗来匹配电路，为实现高效小型化的低频通信提供了可能。

根据不同的实现方案，机械天线大致可归为三类：驻极体式、永磁体式、压电谐振式。其中，前两者都是利用机械驱动电磁偶极子运动来产生电磁信号，其稳定强场源的产生与维持及位移驱动技术的局限性一直制约着偶极运动式机械天线的实用化进程。然而，压电谐振式机械天线采用压电材料与压磁材料复合而成的磁电复合材料，利用电-弹-磁耦合效应将包含调制信号信息的电压输入压电相，在电场作用下压电相形变形成机械波，传递于压磁相产生磁场变化，从而发射电磁波，利用磁电复合材料场强变化代替偶极子运动，可以有效回避强场源及其驱动难题。

然而，无论是以压电单晶，还是以大尺寸压电纤维作为压电层，压电层与压磁层之间的界面结合是一个不可忽视的问题。无论是采用机械贴合，还是采用化学粘接，操作过程的差异很可能会导致界面贴合紧密程度不可控，两相之间的应力应变传导会因此产生传导损耗和传导阻滞，两相之间贴合不均匀，也会导致应力应变分布不均，最终会影响信号传递的质量。

发明内容

为了解决上述两相界面结合不可控的问题，本发明公开了一种新型结构的低频磁电复合机械天线及其制作方法，通过合理设计天线结构，提出了一种解决两相界面结合不可开孔的技术方案。本发明涉及一种新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述新型结构的低频磁电复合机械天线包括具有压电功能的芯棒、具有压磁功能的芯壳、以及将芯棒和芯壳紧固贴合的卡箍扣。

进一步地，所述低频磁电复合机械天线的通讯带宽优选为50Hz-30KHz。

进一步地，所述芯棒包括圆形压电薄片和环形叉指电极，将多片圆形压电薄片层叠，每片压电薄片之间通过环形叉指电极相互隔断，并在芯棒端部和芯棒尾部通过紧固螺栓将压电薄片和叉指电极的层叠体夹紧，芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到芯棒端部，形成两个通电接口。

进一步地，所述圆形压电薄片的厚度为0.01-10mm，优选为0.01-5mm，更优选为0.01-1mm。所述压电薄片的材料可选自本领域常规压电材料，无机压电材料和有机压电材料均可用于本发明，无机压电材料例如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)、铌酸钾钠(KNN)、铌酸铅钡锂(PBLN)等，有机压电材料例如聚偏氟乙烯(PVDF)。所述芯棒外圆直径可依据实际需求进行调节，不作限定。

进一步地，所述环形叉指电极的电极宽度优选0.1μm～1mm，进一步优选0.1μm～10μm，电极间距优选1μm～3mm，进一步优选0.1μm～10μm。

进一步地，所述芯壳是由多个内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成，所述圆弧壳体的数量n为两个以上，优选2-100个。所述芯壳的材料可选自本领域常规压磁材料，金属压磁材料、铁氧体压磁材料、稀土压磁材料均可用于本发明。

进一步地，所述芯棒外圆周长与所有圆弧壳体的内弧长之和的差值为预留的伸缩缝隙宽度，所述差值为芯棒外圆周长的0.5％～45％，优选为0.5％～10％，更优选为0.5％～2％。

进一步地，相邻圆弧壳体之间的缝隙为预留的伸缩缝隙宽度的1/n，其中n为圆弧壳体的数量。

进一步地，所述圆弧壳体的厚度可依据实际需求调节，优选10μm-100mm。

本发明还涉及一种新型结构的低频磁电复合机械天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)制作压电芯棒；

(S2)将芯壳通过卡箍扣紧密贴合在芯棒外圆周上，所述芯壳由多个内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成，相邻圆弧壳体之间预留伸缩缝隙，即得所述新型结构的低频磁电复合机械天线。

进一步地，所述压电芯棒的制作方法包括如下步骤：

(E1)在压电薄片(压电薄片记为A)上通过掩模板涂敷固化或者离子溅射形成环形叉指电极(环形叉指电极记为B)，得到AB层叠片；

(E2)将多个步骤(E1)得到的AB层叠片层叠形成棒状层叠体，所述层叠体的相邻压电薄片之间通过所述环形叉指电极相互隔断；

(E3)在层叠体端部和尾部使用紧固螺栓将其夹紧；

(E4)将芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到芯棒端部，形成两个通电接口。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)相较于传统的机械贴合和化学粘合，本发明涉及的压电和压磁两相之间的松紧可以通过机械构建卡箍扣人为调节，压磁芯壳与压磁芯壳之间设置的伸缩缝提供了压磁相形变的空间，防止调节过紧造成对压磁相的不可逆损毁；

(2)本发明涉及的压电层的伸缩方向与压磁芯壳的径向一致，使得压磁相能够最大程度地接受压电相产生的应力应变，天线内部应力应变传导效率可以得到极大提高；

(3)本发明选用环形叉指电极作为压电薄片的电极，相邻两片压电薄片之间都有一片环形叉指电极隔开，相较于梳式叉指电极，环形叉指电极为圆形压电薄片的使用提供了条件，同时也为圆形压电薄片平面上受到以圆心为几何中心，沿径向分布的匀强电场提供了保证，相邻正负圆环电极之间区域的电场都是大小相同，方向严格沿着径向在圆面内部分布。并且，环形叉指电极是使用掩膜板制作的，电极粗细和间距的精细化程度可以做到纳米级，这就进一步保证了圆形压电薄片平面上电场分布的高可控均匀度。

附图说明

附图中相同的附图标记在各个视图中表示相同或功能上类似的元素，并且附图与下面的详细说明一起并入本说明书中，形成本说明书的一部分，附图用于进一步图示各种实施例并用于说明本发明的各种原理和优点。

图1为本发明涉及的机械天线沿径向的结构剖面图；

图2为本发明涉及的机械天线结构单元示意图；

图3为本发明涉及的压电芯棒的结构解析示意图；

图4为本发明涉及的环形叉指电极的实物图.

附图标记说明：1-压电芯棒，2-压磁芯壳，3-卡箍扣，4-伸缩缝，5-卡箍扣旋钮，6-压电薄片，7-环形叉指电极，8-导线，9-通电接口。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。显然，本实施方式中所描述的实施例仅仅只是本发明所包含内容的一个普通案例，并不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出不同于本发明权利要求项之外的其它创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，本发明所述的新型结构的低频磁电复合机械天线的结构单元包括具有压电功能的芯棒1、具有压磁功能的芯壳2、以及将芯棒1和芯壳2紧固贴合的卡箍扣3，相邻芯壳之间预留有伸缩缝4。

如图3所示，所述芯棒包括圆形压电薄片6和环形叉指电极7，将多片圆形压电薄片6层叠，每片压电薄片6之间通过环形叉指电极7相互隔断，并在芯棒端部和芯棒尾部通过紧固螺栓将压电薄片和叉指电极的层叠体夹紧，芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到芯棒端部，形成两个通电接口9。所述圆形压电薄片的直径和厚度可以根据实际需要作出任意调整。优选地，所述圆形压电薄片的厚度为0.01-10mm，进一步优选为0.01-5mm，更优选为0.01-1mm。所述环形叉指电极是使用掩膜板通过涂敷固化或者离子溅射制作而成，尺寸精细程度可视需求定制，优选地，所述环形叉指电极的电极宽度为0.1μm～1mm，进一步优选0.1μm～10μm，电极间距优选1μm～3mm，进一步优选0.1μm～10μm。

其中，芯壳是由内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成，多个圆弧壳体的内弧长之和近似于芯棒外圆周长，圆弧壳体的数量n至少是两个，优选2-100个。所有圆弧壳体的内弧长之和比芯棒外圆周长略小，所述芯棒外圆周长与所有圆弧壳体的内弧长之和的差值为预留的伸缩缝隙宽度，相邻圆弧壳体之间的缝隙为预留的伸缩缝隙宽度的1/n。所述差值范围可以根据实际需要作出任意调整，优选为芯棒外圆周长的0.5％～45％，进一步优选为0.5％～10％，更优选为0.5％～2％。

上述新型结构的低频磁电复合机械天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)制作压电芯棒；

(S2)将芯壳通过卡箍扣紧密贴合在芯棒外圆周上，所述芯壳由多个内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成，相邻圆弧壳体之间预留伸缩缝隙，即得所述新型结构的低频磁电复合机械天线。

进一步地，所述压电芯棒的制作方法包括如下步骤：

(E1)在压电薄片(压电薄片记为A)上通过掩模板涂敷固化或者离子溅射形成环形叉指电极(环形叉指电极记为B)，得到AB层叠片；

(E2)将多个步骤(E1)得到的AB层叠片层叠形成棒状层叠体，所述层叠体的相邻压电薄片之间通过所述环形叉指电极相互隔断；

(E3)在层叠体端部和尾部使用紧固螺栓将其夹紧；

(E4)将芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到芯棒端部，形成两个通电接口。

本发明涉及的这种新型结构的磁电复合机械天线的工作原理为：当两通电接口被施加电压信号时，芯棒内部每片圆形压电薄片会产生沿圆片径向均匀辐射的机械形变，将电压信号转变为机械应变信号。芯壳受外部卡箍扣的束缚，承受来自芯棒内部垂直于棒轴的均匀机械应力，随之产生同向机械应变，受芯壳压磁特性的影响，在芯壳内部产生磁偶极子振荡，继而形成电磁辐射场，对外辐射电磁信号。

进一步地，所述芯棒内部每片圆形压电薄片会产生沿圆片径向均匀辐射的机械形变的原因是每个压电薄片的极化方向都相同，当环形叉指电极被施加电压信号时，圆形压电薄片整个平面内会以圆心为几何中心，均匀地被施加上径向匀强电场，根据逆压电效应，压电薄片会产生以圆心为几何中心，沿着径向的机械伸缩行为，并且芯棒内部所有压电薄片都能保持同步运动。

进一步地，所述芯壳在外受到卡箍扣的运动限制，在内受到芯棒的机械应力挤压，为了留下形变空间，将芯壳拆分成至少两块，并预留了伸缩缝隙，同时也留下了通过卡箍扣调控芯壳与芯棒紧密贴合程度的可操作空间。

进一步地，所述环形叉指电极区别于常规梳型叉指电极的特征在于其电极整体形状是圆形，其选用是为了匹配天线整体为圆柱体形，径向截面为圆形的特定应用场景，同时，环形叉指电极的选用为圆形压电薄片平面上受到以圆心为几何中心，沿径向分布的匀强电场提供了保证，相邻正负圆环电极之间区域的电场都是大小相同，方向严格沿着径向在圆面内部分布。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他任何具体形式实现本发明。因此，本实施例仅仅只是示范性案例，而且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照具体实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述低频磁电复合机械天线包括具有压电功能的芯棒、具有压磁功能的芯壳、以及将芯棒和芯壳紧固贴合的卡箍扣。

2.根据权利要求1所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述低频磁电复合机械天线的通讯带宽为50Hz-30KHz。

3.根据权利要求1所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述芯壳是由多个内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成。

4.根据权利要求1所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述芯棒包括圆形压电薄片和环形叉指电极，将多片圆形压电薄片层叠，每片压电薄片之间通过环形叉指电极相互隔断，并在芯棒端部和芯棒尾部通过紧固螺栓将压电薄片和叉指电极的层叠体夹紧，芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到芯棒端部，形成两个通电接口。

5.根据权利要求3所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述圆弧壳体的数量至少为两个。

6.根据权利要求3或5所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述芯棒外圆周长与所有圆弧壳体的内弧长之和的差值为预留的伸缩缝隙宽度，所述差值为芯棒外圆周长的0.5％～45％。

7.根据权利要求5所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，相邻圆弧壳体之间的缝隙为所述预留的伸缩缝隙宽度的1/n，其中n为圆弧壳体的数量，n优选2-100的整数。

8.根据权利要求3所述的新型结构的低频磁电复合机械天线，其特征在于，所述圆弧壳体的厚度为10μm-100mm。

9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的新型结构的低频磁电复合机械天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)制作压电芯棒；

(S2)将芯壳通过卡箍扣紧密贴合在芯棒外圆周上，所述芯壳由多个内径与芯棒外径相等的圆弧壳体构成，相邻圆弧壳体之间预留伸缩缝隙，即得所述新型结构的低频磁电复合机械天线。

10.根据权利要求9所述的低频磁电复合机械天线的制作方法，其特征在于，所述(S1)制作压电芯棒的方法包括如下步骤：

(E1)在压电薄片上形成环形叉指电极得到压电薄片和环形叉指电极的层叠片；

(E2)将多个层叠片层叠形成棒状层叠体，所述层叠体的相邻压电薄片之间通过所述环形叉指电极相互隔断；

(E3)在层叠体端部和尾部使用紧固螺栓将其夹紧；

(E4)将芯棒内部所有环形叉指电极的正负极分别汇聚到芯棒端部，形成两个通电接口。

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